Development of an algorithm for categorizing behavioral patterns of zebrafish in response to danger stimuli

AGULLÓ, VALENTÍN; MARTORELL, NICOLÁS; MEDAN, VIOLETA

Congreso; SAN 2022; 2022

Nuestro comportamiento determina como interaccionamos con el ambiente. Especcamente, la evaluacionsobre la peligrosidad de un evento externo determina la decision de ejecutar una respuesta evasiva (escape). Sinembargo, nuestro conocimiento de como el cerebro procesa informacion sensorial organiza el comportamiento ytomar decisiones adaptativas es aun rudimentario. Los peces cebra (Danio rerio) son una especie ideal para elestudio de las bases neurobiologicas de comportamientos evasivos debido a que presentan un repertorio variadode conductas de alarma y escape que pueden ser estudiadas en el laboratorio. Sin embargo, la clasicacion directapor un observador puede ser afectada por sesgos subjetivos o atencionales y puede variar entre observadores oen relacion al grado de experiencia de un observador (ademas de ser lenta y tediosa). Es por ello que contarcon algoritmos de analisis cuantitativos reviste gran importancia, especialmente cuando es necesario el analisis degrandes volumenes de datos.En este trabajo, registramos en video las respuestas de larvas de peces cebra frente a distintos estmulos visuales yauditivos presentados en forma separada o en conjunto. Esta batera de estmulos desencadeno distintas respuestasde alarma y escape en relacion al grado de peligrosidad percibido por el animal. Para analizar estos datos desar-rollamos un algoritmo de determinacion de la posicion del animal (tracking) basado en la librera OpenCV parapython seguido de analisis computacional que permite extraer diferentes parametros cuantitativos de la trayec-toria. El primer objetivo de este analisis fue encontrar las variables relevantes para realizar una categorizacionautomatica de patrones comportamentales de escape.Entre las respuestas evasivas mas conspicuas que presentan los peces se destacan las respuestas de escape tipoC-start. Este tipo de comportamiento de escape, extremadamente rapido, consiste en la contraccion de la mus-culatura del tronco y cola de uno de los lados del pez (de manera que asume la forma de letra C) seguida por lacontraccion de la musculatura del lado opuesto y propulsion a gran velocidad alejando al animal de la fuente depeligro. Inicialmente centramos la estrategia de analisis en las respuestas tipo C-start, que son las mas rapidas.Para ello se segmento la actividad locomotora completa de cada pez en eventos discretos. Para la denicionde los eventos se tomaron umbrales en el espacio de fases de la velocidad lineal y la velocidad angular. Estopermitio separar todos los eventos lentos (como los episodios de natacion normal) de los rapidos (que incluyenlos escapes). Luego se compararon parametros como las velocidades y aceleraciones maximas, el maximo angulode torsion, etc. entre un subset de eventos categorizados por un observador como C-start (n=167) y la totalidadde los eventos (n=588). Esto permitio determinar que existan un numero considerable de eventos compatiblescon escapes rapidos que no haban sido reportados como tales durante la observacion directa. Ademas el analisisrevelo que no es suciente considerar la maxima velocidad de los eventos para poder etiquetarlos como C-starts,hace falta incorporar mas variables cineticas al modelo. Finalmente, se analizo la distribucion de los eventos rapi-dos en funcion de los diferentes estmulos auditivos y visuales presentados. Los resultados preliminares muestranque 1) es posible realizar una clasicacion automatica de eventos de escape rapidos en base a un numero bajode variables cineticas, 2) las velocidades maximas para los escapes evocados por estmulos auditivos son mayoresque las evocadas por estmulos visuales, 3) las respuestas evocadas por estmulos audiovisuales presentan una dis-tribucion bimodal y 4) que existe una variabilidad sustancial en las respuestas rapidas que requiere de parametrosadicionales para subdividirse.